陳瑩穎，李中華，許 鐸

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.河海大學，江蘇 南京 210098)

小清河航道是山東省“一縱三橫”內河主干航道網中重要的“一橫”，也是山東省現(xiàn)階段唯一具備海河聯(lián)運開發(fā)利用條件的航道[1]。小清河復航工程于2019年下半年正式啟動，復航河段共有水牛韓、金家堰、金家橋、王道4個梯級，其中水牛韓船閘尺度為230 m×23 m×5.0 m(有效長度×有效寬度×門檻水深)，可滿足遠期(2030年)通過量需求。

水牛韓船閘按Ⅱ級船閘標準建設[2]，主要通航1 000噸級船舶(隊)，設計水頭5.3 m(對應水位組合為船閘上游14.00 m、下游8.70 m)，設計輸水時間10 min[3]。由于小清河沿線水資源比較匱乏，而水牛韓船閘一次輸水過程耗水量達3.1萬m3,故為減少航運用水量，水牛韓船閘須具備省水功能。

1 省水船閘布置形式及工作原理

根據(jù)水牛韓船閘閘址地形條件并考慮未來船閘續(xù)建的需求，在單側設置省水池是較優(yōu)的選擇。單級省水池一般設在船閘側面，為避免省水池向閘室充水時在池底泄水口處產生漩渦，省水池應留有一定富余水深[4]，即省水池內須設定最低水位。

單個省水池的船閘工作原理較為簡單，如圖1所示。當船閘泄水時，閘室內水體不是直接泄向下游，而是先泄向省水池，待閘室與省水池水位齊平后(省水池內水體由最低水位上升至最高水位)，閘室內剩余水體再泄向下游，直至閘室水位與下游水位齊平；當船閘充水時，先由省水池向閘室充水，待閘室與省水池水位齊平后(省水池內水體由最高水位下降至最低水位)，閘室內不足的水體再由上游補充，直至閘室水位與上游水位齊平。

圖1 單級省水池省水船閘工作原理

根據(jù)圖1的閘室與省水池水位變化，可計算單級省水池省水船閘充泄水過程的省水量。設閘室面積為A1，省水池面積為A2，閘室工作水頭為H1，閘室上游水位與省水池池內最低水位之差為H2。當船閘泄水時，先泄向省水池，若閘室與省水池水位齊平且閘室水位下降了H′2，則進入省水池的水量為：

V1=A1H′2=A2(H2-H′2)

(1)

在充水過程中，只有進入省水池的水量V1再全部回到閘室，才是真正的省水量。即省水池向閘室充水時，省水池水體下降至池內最低水位，閘室水位上升到省水池最低水位。故有：

A2(H2-H′2)=A1(H1-H2)

(2)

H′2值越大說明省水效果越好，由式(1)、(2)可得：

(3)

因此，省水效率為：

(4)

由式(4)可以看出，在單級省水池與閘室之間無剩余水頭情況下，可達到的省水率Ew和閘室與省水池的面積比密切相關，閘室與省水池面積比越小(即閘室面積一定時，省水池面積越大)，省水率Ew越大。

省水池的建造費用主要取決于其面積的大小，因此大多數(shù)已建船閘都選用與閘室面積大致相等的省水池，水牛韓船閘省水池平面面積也與閘室水域面積一致(省水池平面尺度為234.0 m×26.2 m(長×寬)，面積為6130.8 m2)，故水牛韓船閘最大省水率為33.3%，實際運行中因省水池與閘室之間存在一定剩余水頭，省水率會有所下降。

同時，將A1=A2、H1=5.3 m代入式(3)，可得閘室與省水池水位齊平且閘室水位下降了H′2=1.767 m，將其代入式(1)，可得閘室上游水位與省水池池內最低水位之差H2=3.533 m，即水牛韓船閘省水運行時省水池運行最大水頭為3.533 m，并由此計算得到省水池最低水位為10.467 m(H最低=H下游+H1-H2)，省水池最高水位為12.233 m(H最高=H下游-H′2)。參考金家堰船閘物理模型試驗成果，水牛韓船閘省水池最小富余水深取1.517 m，即省水池底高程為8.95 m，頂高程則為13.00 m。水牛韓船閘單級省水池布置為：設計水頭時，池底高程為8.95 m，池頂高程為13.0 m，池內最低水位為10.467 m，池內最高水位為12.233 m，運行最大水頭為3.533 m。

2 閘首輸水系統(tǒng)形式和布置

2.1 輸水系統(tǒng)形式

考慮到水牛韓船閘還存在不使用省水池進行充泄水的情況，因此，船閘閘首輸水系統(tǒng)布置仍按照設計水頭5.3 m設計。

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》[5](簡稱“規(guī)范”)輸水系統(tǒng)類型的選擇公式：

(5)

式中：m為判別系數(shù)；T為輸水時間(min)；H為水頭(m)。

計算可得，m=4.34，根據(jù)規(guī)范，水牛韓船閘判別系數(shù)m值大于3.5，可采用閘首短廊道集中輸水系統(tǒng)。工程實踐證明常規(guī)船閘若采用閘首短廊道集中輸水系統(tǒng)是最經濟的方案，在我國廣泛應用于10 m以下水頭的船閘。

2.2 輸水系統(tǒng)各部位尺寸及布置

根據(jù)規(guī)范要求，計算并確定了水牛韓船閘閘首輸水系統(tǒng)各部位主要尺寸：

1)輸水閥門處廊道斷面為(2～3.3)m×4.0 m(寬×高)，總面積為26.4 m2。

2)上閘首進水口采用檻上多支孔的布置形式，進水口檻頂高程取6.75 m，檻頂共布置12個進水支孔，進水支孔寬度有0.6、1.0和1.5 m共3種規(guī)格，每兩個支孔間距0.8 m。

3)上閘首出水口采用格柵消能室的布置形式，格柵消能室長23 m、寬6.3 m、高4.0 m、檻頂高程為6.75 m；分別設置頂部出水支孔和正面出水支孔，頂部出水支孔為(2.8～30)m×0.2 m(長×寬)，正面出水支孔為(4.0～15)m×1.0 m(高×寬)；根據(jù)以往工程經驗，格柵消能室內設3道消能檻，消能檻中間高度為2 m，兩側高度分別為0.9 m(靠省水池側)和0.6 m，同時為減小充水時正面出水支孔對閘室內船舶所受系纜力的影響，上閘首和閘室連接段設為陡坎連接，并設消力梁。

4)下閘首進水口采用門庫內側向進水口的布置形式，進水口頂高程取6.05 m，每側閘墻各布置一個進水孔，每個進水孔尺寸均為4.8 m×4.0 m(長×高)。

5)下閘首出水口采用設置消力檻的簡單消能工布置形式，消能室底高程為2.05 m，出水口頂高程為6.05 m。為減小省水池向閘室充水時對閘室內船舶停泊條件的影響，下閘首和閘室連接段也設為陡坎連接，并設消力梁。

6)閥門段輸水廊道通過水平轉彎與上、下閘首進水口和出水口連接，連接時廊道高度保持4.0 m不變。

3 省水池輸水系統(tǒng)布置

省水池輸水系統(tǒng)采用與船閘上、下閘首分別用一根輸水廊道連接的布置形式，省水池向閘室輸水或者閘室向省水池輸水時均通過上、下閘首的連接廊道同時進行，輸水閥門布置在閘首和省水池之間。連接廊道輸水閥門處廊道尺寸仍根據(jù)規(guī)范按集中輸水系統(tǒng)估算，計算為17.5 m2,綜合考慮船閘運行后維護的便捷性，取連接廊道輸水閥門處廊道尺寸與閘首廊道一致，即(2.0～3.3)m×4.0 m(寬×高)，總面積為26.4 m2。

連接廊道輸水閥門段廊道采用平底平頂布置形式，上閘首連接廊道頂高程取6.05 m，底高程為2.05 m，與上閘首廊道一致；下閘首連接廊道頂高程取6.05 m，底高程為2.05 m，與下閘首廊道一致。

上、下閘首省水池輸水系統(tǒng)與上、下閘首短廊道輸水系統(tǒng)均采用平交連接方式，廊道交匯處采用弧線修圓連接方式。上閘首省水池連接廊道一側邊壁與上閘首格柵消能室靠近閘室一側邊壁齊平，下閘首省水池連接廊道一側邊壁與下閘首進水口靠近閘室一側邊壁齊平。上閘首匯合廊道與格柵消能室連接處設置一挑流坎，以避免省水池向閘室輸水時水流集中在正面出水口流出。下閘首進水口外門庫內設置3道消力檻，以確保省水池向閘室輸水時出流均勻。

省水池底部上、下游側分別布置一個進(出)水口與連接廊道相連，進(出)水口尺寸均為16.2 m×3.3 m(長×寬)，進(出)水口頂部四面修圓，底部與廊道連接處也做修圓處理。為避免船閘省水運行時，省水池進(出)水口出現(xiàn)漩渦，在省水池進(出)水口上設置了消能格柵。

水牛韓省水船閘輸水系統(tǒng)平面布置如圖2所示。

圖2 水牛韓省水船閘輸水系統(tǒng)平面布置(高程：m；尺寸：mm)

4 輸水水力特性計算

4.1 數(shù)學模型及計算方法

圖3為設省水池單級船閘輸水過程概化圖，根據(jù) Bernoulli方程[6]，可以推導出描述單級船閘輸水過程的非恒定流方程組：

(6)

(7)

(8)

Qc(t)=∑Qi(t)

(9)

式中：hi為各級省水池水位(m)；hc為閘室水位(m)；Ai為各級省水池閥門段廊道斷面面積(m2)；Ac為主閥門段廊道斷面面積(m2)；Si為各級省水池水域面積(m2)；Sc為閘室水域面積(m2)；Qi為各級省水池廊道段流量(m3)；Qc為主廊道段流量(m3)；ia、iv、ib分別為各級省水池閥門前a段、閥門段、閥門后b段廊道阻力系數(shù)；c為主廊道阻力系數(shù)；Lia和Lib為各級省水池閥門前a段和閥門后b段廊道換算長度(m)；Lc為主廊道換算長度(m)；g為重力加速度(m/s2)；設省水池數(shù)量為m，則i最大值為m+1。

式(6)～(9)是描述設省水池單級船閘輸水過程的通用基本方程，對其進行適當?shù)淖兓涂蓱糜诓煌斔^程。如：水牛韓船閘為單級省水池布置，m=1，i最大值為2；船閘充水過程i取1～2，船閘泄水過程i取0～1，并令S2(上游水域)，S0(下游水域)，代入各取值后，采用差分法和迭代法求解上述方程組，模擬省水船閘輸水運行產生的水力特性變化，就可得到船閘輸水過程的水力特征值及水力特征曲線，如輸水時間、最大流量、流量過程線和水位過程線等。

圖3 設多省水池單級船閘輸水過程概化圖

根據(jù)以往工程經驗和模型試驗成果，船閘工程大多是在閘室充水時船舶縱向系纜力易超出規(guī)范允許值，需要通過采取一定措施(如調整閥門開啟方式等)降低其縱向系纜力，而橫向系纜力一般均小于規(guī)范允許值，即使橫向系纜力局部超標也可通過優(yōu)化閘室消能工進行解決。因此，本文船舶停泊條件主要針對充水時的船舶縱向系纜力進行計算分析。船舶縱向系纜力可用波浪力和流速力的合力近似計算，并以此來判斷船舶的停泊條件。

4.2 基本水力參數(shù)估算

考慮到省水船閘布置經驗相對較少，采用數(shù)值試驗的方法對船閘上閘首充水流量系數(shù)、下閘首泄水流量系數(shù)、船閘向省水池泄水流量系數(shù)以及省水池向閘室充水流量系數(shù)進行仿真計算，即通過三維局部數(shù)學模型，采用與物理模型恒定流測量流量系數(shù)相同的原理，計算各部分的流量系數(shù)。數(shù)值試驗中，采用RNG 雙方程紊流模型并嵌套“VOF”技術對閘室自由表面水流進行捕捉，計算所得水牛韓船閘非省水和省水運行方式下的流量系數(shù)結果見表1。

表1 水牛韓船閘輸水流量系數(shù)計算結果

4.3 非省水運行水力特性

根據(jù)規(guī)范對水牛韓船閘非省水運行時的閘首輸水閥門開啟時間進行估算，并參考已建同類船閘實際運行經驗，同時考慮到閥門開啟速度盡量一致，以便于運行管理，初步確定閘首充、泄水閥門勻速開啟時間均為tv=420 s。

水牛韓船閘在設計水頭5.3 m(水位組合8.7～14.0 m)下非省水運行，閥門開啟時間tv=420 s時的閘室輸水時間、流量、閘室斷面平均流速等最大特性值見表2，充、泄水時對應的閘室水位、流量變化過程線如圖4、5所示。由圖表可知，采用tv=420 s的閥門開啟方式，閘室充、泄水時間均可滿足10 min的設計要求，計算所得的輸水廊道最大平均流速均小于5.0 m/s，下游引航道斷面最大平均流速為0.44 m/s，閘室最大水面升降速度為1.83 cm/s，上述水力特性值均滿足規(guī)范要求。

表2 水牛韓船閘非省水運行時閘室充、泄水最大水力特性值

注：tv為輸水閥門開啟時間；T為輸水時間；Qmax為輸水最大流量；Emax為水流最大能量；Epmax為閘室橫斷面的最大比能；vmax充水時為閘室斷面最大平均流速，泄水時為下游引航道斷面最大平均流速；umax為閘室水面最大上升(下降)速度。

圖4 非省水運行充水水力特性曲線

圖5 非省水運行泄水水力特性曲線

4.4 省水運行水力特性

根據(jù)前文計算的水牛韓船閘省水運行時的省水池最低水位、最高水位以及運行最大水頭，對應的閘室及省水池的控制水位見表3，在此基礎上進行船閘省水運行時水力特性的計算。

表3 水牛韓船閘省水運行時閘室及省水池控制水位組合

水牛韓船閘省水運行時，對設計水頭5.3 m(水位組合8.7～14.0 m)下不同輸水閥門的各種開啟方式進行了計算。根據(jù)試算，確定省水運行充水時，省水池閥門以tv1=120 s、開度n=0.8的方式局部開啟，剩余55～65 cm水位差以tv=90 s的方式關閉，上閘首充水閥門提前15 s以tv2=240 s的方式勻速開啟；省水運行泄水時，省水池閥門也以tv1=120 s、n=0.8的方式局部開啟，剩余30～40 cm水位差以tv=90 s的方式關閉，下閘首泄水閥門提前30 s以tv2=240 s的方式勻速開啟。

在上述各閥門開啟方式下，水牛韓船閘省水運行時，輸水時間、流量、閘室斷面平均流速等最大特性值見表4，充、泄水時對應的閘室水位、流量變化過程線如圖6、7所示。由圖表可知，采用該閥門開啟方式，閘室充、泄水時間均滿足10 min的設計要求，計算所得輸水廊道最大平均流速均小于 5.0 m/s，下游引航道斷面最大平均流速為 0.43 m/s，閘室最大水面升降速度為1.76 cm/s，上述水力特性值均滿足規(guī)范要求。

表4 水牛韓船閘省水運行充水時最大水力特性值

注：T總為閘室輸水總時間;T省水池為省水池輸水時間；Q省水池為省水池輸水最大流量，Q為上、下游輸、泄水最大流量；E省水池為省水池輸水閘室內水流最大能量;E為上、下游輸、池水閘室內水流最大能量；P省水池為省水池輸水閘室橫斷面最大比能;P上游為上游輸水閘室橫斷面最大比能；v為閘室斷面最大平均流速。

圖6 省水運行充水水力特性曲線

圖7 省水運行泄水水力特性曲線

4.5 船舶停泊條件

通過船舶縱向系纜力計算，得出的最大系纜力值見表5。水牛韓船閘在設計水頭5.3 m(水位組合8.7～14.0 m)下非省水運行，充水閥門采用tv=420 s雙邊勻速連續(xù)開啟時，1頂2×1 000噸級駁船最大縱向系纜力22.46 kN，1 000噸級貨船最大系纜力12.67 kN，設計船舶最大系纜力均小于規(guī)范允許的最大限值(規(guī)范中1 000噸級船舶允許系纜力32 kN)，設計船舶停泊條件能夠滿足規(guī)范要求。

表5 水牛韓船閘非省水運行時船舶最大縱向系纜力

注：tv為輸水閥門開啟時間。

與船閘非省水運行時相同，船閘省水運行時也是充水過程中船舶縱向系纜力易超出規(guī)范允許值。在閘室充水過程中，輸水流量最大時，閘室內斷面流速較大；比能最大時，閘室內紊動能較大，對閘室內停泊船舶均較不利，船舶縱向系纜力易在這兩個時刻達到最大值，水牛韓船閘非省水和省水運行充水時的最大水力特性值見表6，據(jù)此對比分析省水運行時的船舶停泊條件。

由表6的數(shù)值對比可知，水牛韓船閘省水運行充水時，最大輸水流量為104.7 m3/s，最大比能為16.8 kW/m2,小于非省水運行充水時的最大輸水流量(110.3 m3/s)和最大比能(22.9 kW/m2)，由此可認為，船閘省水運行充水時的船舶停泊條件比非省水運行充水時略佳，設計船舶最大縱向系纜力應小于非省水運行充水時，故水牛韓船閘省水運行充水時設計船舶停泊條件也能夠滿足規(guī)范要求。

表6 水牛韓船閘非省水和省水運行充水時最大水力特性值對比

注：tv為閥門開啟時間；Qmax為輸水最大流量；H為對應輸水流量最大時刻閘室水位；Epmax為閘室橫斷面的最大比能。

5 結語

1)水牛韓船閘在單側設置單級省水池，閘首為短廊道集中輸水系統(tǒng)，省水池為與上、下閘首分別用一根輸水廊道連接的輸水系統(tǒng)，具有較佳的性價比。

2)根據(jù)水牛韓船閘運行的具體情況，提出了滿足規(guī)范相應要求的閘首、省水池輸水系統(tǒng)布置及各部位尺寸。

3)采用船閘輸水過程數(shù)學模型計算了水牛韓船閘非省水運行和省水運行時的輸水水力特性，水力計算結果表明，提出的各閥門運行方式是合適的，船閘輸水水力特性滿足設計輸水時間要求和規(guī)范相關要求，研究成果可為省水船閘輸水系統(tǒng)設計提供科學依據(jù)。